《Nature》大子刊：全新表面異質納米結構化顆粒全分散策略

有機染料是常用的色彩添加劑，廣泛應用於工業、科研和日常生活。染料讓我們的服飾、食品、日用品絢麗多彩；染料在顯微鏡下發光實現成像，幫助我們揭示微觀世界的奧秘。有數據表明，全球有機染料的產量達到70萬噸/年，但其中近10-15%被排放到工業和家庭廢水中，已成爲水污染的重要源頭，對生態環境和公衆健康構成威脅。

現有染料廢水的處理方法如混凝-絮凝法、生物降解法，可去除廢水中大部分有機染料，而這些方法面臨染料去除不徹底、適用染料種類有限、產生的淤泥容易造成二次污染等問題。近年來，隨着納米技術、材料科技的迅猛發展，涌現出一些新興的材料與染料廢水處理技術如催化氧化、納濾和多孔顆粒吸附。催化劑、膜和吸附材料在完成染料廢水處理後可重複使用，而染料的回收較少被重視。究其原因在於，在有機染料脫附過程中，通常在水溶液中加入含有無機酸、鹼或鹽的洗脫液，使有機染料的回收過程更加複雜。

近日，中國科學院理化技術研究所仿生材料與界面科學重點實驗室提出了全新的表面異質納米結構化顆粒全分散策略，製備了全分散的親水-疏水異質微球。這些微球在一系列溶劑（水、乙醇、辛烷等）中展示出全分散的優異性能，並實現了從廢水中回收有機染料。

近年來，理化所研究員王樹濤團隊提出了乳液界面聚合合成異質結構微球的新方法，並在其高效分離應用上取得了一系列創新性成果：發展了多種乳液界面聚合合成方法，製備了一系列具有不同尺寸、化學組成、孔隙、表面納米結構的異質微球，實現了複雜生物流體中痕量糖肽的分離、相近尺寸蛋白的分離、病毒核酸分離、癌症病人外周血中痕量循環腫瘤細胞的分離、水中痕量微油滴的分離等，構築了色譜柱、微分離柱、微流控、紙色譜等分離器件。此外，該團隊基於上述成果撰寫了綜述文章。

親水-疏水異質微球表面具有交替的親水、疏水成分（圖1）。這種結構既利於高極性溶劑（水）的鋪展，又利於中等極性溶劑（乙醇等有機溶劑）、低極性溶劑（辛烷等油性有機溶劑）的鋪展。此外，在親水區，易引入帶電基團，這些基團能爲顆粒間提供靜電排斥作用，從而在不同溶劑中實現良好的分散（圖2）。利用這種獨特的全分散性，該團隊發展了一種從含有機染料的廢水中分離回收染料的策略。染料在水中被吸附到微球上，通過過濾得到淨化的水與吸附了染料的微球，再將這些微球分散到有機溶劑中實現染料的脫附，通過過濾得到溶解了染料的有機溶劑，染料通過蒸餾被回收，同時微球被循環利用（圖3）。

親水-疏水異質微球爲有機染料的回收提供了一類頗具前景的材料。回收有機染料的過程中，只需加入有機溶劑，無需加入含有無機酸、鹼或鹽的洗脫液。有機溶劑易通過簡單的蒸餾從染料中去除，避免了去除無機酸、鹼和鹽的複雜步驟。這類材料在環境污染物處理、資源回收利用、海洋資源富集提取、生物分子檢測等複雜樣品的分離分析領域具有廣闊的應用前景。

王樹濤表示，這麼多年來團隊一直嘗試利用界面化學設計來解決分離技術中“根材料”創制的難題，終於在分離微球材料上取得了突破。

相關研究成果以Heterostructure particles enable omnidispersible in water and oil towards organic dye recycle爲題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金重點項目和國家重點研發計劃等的支持。華南理工大學的科研人員參與研究。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41053-8

圖1. 親水-疏水異質微球的表徵。該團隊利用前期發展的乳液界面聚合合成方法，合成了親水-疏水異質微球，並通過透射電子顯微鏡、光誘導力顯微鏡、原子力顯微鏡等表徵，證實了其表面異質納米結構。

圖2. 親水-疏水異質微球、親水微球、疏水微球的分散性能對比。

圖3. 親水-疏水異質微球實現廢水中染料回收。染料在水中被微球吸附；過濾分離；微球分散在有機溶劑中，實現染料脫附；低溫蒸餾實現染料回收；微球用於循環染料回收。

圖4. 左圖：微球從廢水中捕獲染料的熒光顯微圖像；右圖：微球在有機溶劑中釋放染料的熒光顯微圖像。

圖5. 全分散的親水-疏水異質微球

來源：中國科學院